石建軍 李新元

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

顯德旺礦回采1193綜放工作面(開(kāi)采9#煤層)時(shí)，將一采區(qū)上方軌道上山作為回風(fēng)道，同時(shí)也是礦井的總回風(fēng)通道，大部分區(qū)域沿4#煤層頂板野青灰?guī)r掘進(jìn)，巷道經(jīng)過(guò)多次整修，變形較大，與9#煤層間距為90 m。根據(jù)頂板巖層的活動(dòng)規(guī)律，下方9#煤層的非充分開(kāi)采或充分開(kāi)采都將造成上方巖體不同程度的變形破壞，進(jìn)而影響到巷道的變形和破壞程度，因此研究并采用合理的巷道加固技術(shù)，保證軌道上山的正常使用，對(duì)于高產(chǎn)高效開(kāi)采具有重要的實(shí)踐意義。

1 地質(zhì)條件

9#煤層厚度4.55 m，直接頂為粉細(xì)砂巖，平均厚度4.89 m，以粉砂巖為主，含細(xì)砂巖，薄-中厚層狀，夾層狀或橢球狀菱鐵質(zhì)結(jié)核，易相變，不穩(wěn)定。偽頂為黑灰色砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.63 m。直接底為深灰色鋁土質(zhì)泥巖，平均厚度5.59 m，含鋁土質(zhì)及較多炭化植物化石，中部夾一層厚度不均的粉砂巖。老底為灰-深灰色粉細(xì)砂巖，平均厚度13.32 m，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，含菱鐵質(zhì)結(jié)核。

一采區(qū)回風(fēng)上山為礦井總回風(fēng)通道，斷面尺寸3 m×2.5 m，沿4#煤層頂板掘進(jìn)，4#煤層厚度為0.91 m，與9#煤層間距約為90 m。

9#煤層工作面采掘布置圖如圖1所示。

圖1 9#煤層采掘布置圖

2 冒落帶和裂隙帶高度估算

根據(jù)覆巖巖性及煤層埋藏條件，巖性中硬時(shí)，緩傾斜條件下厚煤層開(kāi)采時(shí)的垮落帶hm和導(dǎo)水裂縫帶高度hl的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：hm——垮落帶高度，m；

hl——垮落帶高度，m；

M——采高，m。

由表3可以看出，二級(jí)最小絕對(duì)差為0，二級(jí)最大絕對(duì)差為0.666667，代入關(guān)聯(lián)系數(shù)公式可得如下公式：εi(k)=(0+0.5×0.666667)/(Δi(k)+0.5×0.666667)=0.3333335/(Δi(k)+0.3333335)。把各點(diǎn)的絕對(duì)差值代入公式，便可得到X0對(duì)Xi各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見(jiàn)表4。

采用放頂煤一次采全高時(shí)，上覆巖層破壞高度與分層開(kāi)采相比較為嚴(yán)重，為了安全起見(jiàn)，覆巖破壞高度取較大值。

因此，采高取4.55 m，9#煤層開(kāi)采后，冒落帶高度為13.38 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為47.4 m。

3 上覆巖層活動(dòng)的數(shù)值模擬研究

3.1 計(jì)算模型的建立

數(shù)值模擬采用FLAC數(shù)值軟件進(jìn)行分析研究。按照一采區(qū)工作面的巖層結(jié)構(gòu)及開(kāi)采順序關(guān)系，確定該工作面開(kāi)采的數(shù)值模擬力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 FLAC數(shù)值模型圖

1193工作面走向長(zhǎng)度584 m，考慮到邊界效益，兩端各加50 m作為力學(xué)邊界，9#煤層距回風(fēng)上山間距為90 m，煤層下方取13 m，上山上方增加27 m作為邊界，因此模型尺寸設(shè)計(jì)為684 m×130 m，走向長(zhǎng)度684 m，高度130 m。模型共分21168個(gè)單元塊，42966個(gè)節(jié)點(diǎn)。按照工作面回采工藝，9#煤層采用綜采放頂煤一次采全高開(kāi)采，以此研究頂板覆巖活動(dòng)規(guī)律。

3.2 頂板巖層冒裂帶的形成與發(fā)展

工作面推進(jìn)到不同位置時(shí)水平應(yīng)力變化情況如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)250 m時(shí)，在采空區(qū)后上方15.2 m高度范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力最高值為1.25 MPa。在上方不同層位的巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以分析裂隙帶高度為35 m。當(dāng)工作面推進(jìn)584 m時(shí)，可以得出相同的結(jié)論，裂隙帶高度為37.2 m。

根據(jù)煤層開(kāi)采過(guò)程中上方巖體內(nèi)水平應(yīng)力的分析表明，9#煤層放頂煤開(kāi)采后，冒落帶高度為15.2 m，裂隙帶高度為37.2 m。

3.3 頂板巖層垂直應(yīng)力的變化

工作面推采至回風(fēng)上山附近時(shí)上山處巖層垂直應(yīng)力變化情況如圖4所示。

圖3 工作面推進(jìn)到不同位置時(shí)水平應(yīng)力變化圖

4 回風(fēng)上山沉降預(yù)計(jì)

采用國(guó)內(nèi)成熟的概率積分法預(yù)計(jì)模型，采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)研制的MSAS開(kāi)采沉陷分析系統(tǒng)，對(duì)此開(kāi)采區(qū)域地表移動(dòng)和變形進(jìn)行計(jì)算分析。

1193工作面先開(kāi)采，之后1195工作面、1197工作面后續(xù)開(kāi)采時(shí)都會(huì)對(duì)地表造成影響，其巖層移動(dòng)變形情況如圖5所示，最大下沉量為3717 mm，由于上山下沉導(dǎo)致傾斜度發(fā)生變化最大為67.7 mm/m、-89.2 mm/m，水平變形為1255 mm、-966 mm，最大水平方向移動(dòng)為-45.2 mm/m，最大曲率為-3.22 km-1。圖中紅色曲線代表地表采動(dòng)時(shí)下沉值W；綠色曲線代表地表傾斜變化I；藍(lán)色曲線代表地表采動(dòng)時(shí)水平變形值U；天藍(lán)色曲線代表地表水平方向移動(dòng)ε；粉色曲線代表地表曲率K。

圖5 1193、1195、1197工作面開(kāi)采后上山位置巖層移動(dòng)變形

1193、1195、1197工作面開(kāi)采時(shí)上山兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)不放頂煤時(shí)巖層移動(dòng)變形情況如圖6所示。

圖6 1193、1195、1197工作面開(kāi)采上山兩側(cè)不放頂煤時(shí)巖層移動(dòng)變形

最大下沉量為1680 mm，最大傾斜為30.1 mm/m、-39.7 mm/m，水平變形為608 mm、-431 mm，最大水平移動(dòng)為21.3 mm/m，最大曲率為-1.42 km-1。

1193、1195、1197工作面開(kāi)采后一次采全高時(shí)地表移動(dòng)變形情況如圖7所示，最大下沉量為3055 mm，最大傾斜為19.8 mm/m、-21.8 mm/m，水平變形為1128 mm、-767 mm，最大水平移動(dòng)為-17.5 mm/m，最大曲率為-1.42 km-1。

圖7 1193、1195、1197工作面開(kāi)采后地表移動(dòng)變形

分析表明，在上山兩側(cè)各50 m不放頂煤時(shí)，下沉量為放頂煤時(shí)的45.2%，最大斜率為放頂煤時(shí)的44.5%，留設(shè)頂煤使巷道破壞的程度降低。

5 回風(fēng)上山加固方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前述數(shù)值模擬結(jié)果，留煤柱時(shí)上山下沉較小，所以開(kāi)采留設(shè)煤柱時(shí)根據(jù)計(jì)算上山兩側(cè)各留32 m煤柱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，上山的松動(dòng)圈范圍為1.8～2.2 m，確定錨桿長(zhǎng)度。

根據(jù)9#煤層開(kāi)采時(shí)回風(fēng)上山位置巖層的下沉曲線，確定回風(fēng)上山的加固范圍，如圖8所示。

從圖8可以計(jì)算出，1193工作面開(kāi)采前，巷道的影響加固范圍為238 m，為消除預(yù)計(jì)誤差造成的影響，兩側(cè)各加20 m加強(qiáng)支護(hù)，累計(jì)范圍為278 m。根據(jù)模擬結(jié)果并留安全距離，回風(fēng)上山應(yīng)在工作面推采至回風(fēng)上山前30 m加固完畢。圖中W表示最大下沉量1658 mm。

回風(fēng)上山為拱形斷面，錨桿長(zhǎng)度為2.6 m，間排距為0.95 m×1.0 m，如圖9所示。

錨桿采用?20 mm的左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，采用K2360和Z2360型規(guī)格的錨固劑各一卷。鋼筋梯子梁采用?14 mm圓鋼制成，金屬網(wǎng)采用菱形網(wǎng)，頂網(wǎng)長(zhǎng)度為3200 mm，幫網(wǎng)長(zhǎng)度為2200 mm，寬度為1200 mm，網(wǎng)格為50 mm×50 mm。

圖8 回風(fēng)上山加固范圍

圖9 巷道支護(hù)圖

6 結(jié)論

根據(jù)顯德旺煤礦+1100 m水平運(yùn)輸大巷原支護(hù)巷道破壞嚴(yán)重，重新設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，滿足了使用要求，可以得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，煤層開(kāi)采的冒落帶高度13.38 m，導(dǎo)水裂隙帶高度為47.4 m。根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，煤層開(kāi)采后，冒落帶高度為15.2 m，裂隙帶高度為37.2 m，與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果基本一致。

(2)根據(jù)FLAC數(shù)值模擬分析結(jié)果，工作面開(kāi)采未造成回風(fēng)上山位置巖層的應(yīng)力集中，仍保持原巖應(yīng)力狀態(tài)，其巷道垂直變形表現(xiàn)為整體下沉，可以判斷回風(fēng)上山位置在冒裂帶范圍之上，處于彎曲下沉帶內(nèi)。

(3)利用MSAS開(kāi)采沉陷分析系統(tǒng)，對(duì)此區(qū)域開(kāi)采地表移動(dòng)和變形進(jìn)行計(jì)算分析。上山兩側(cè)留設(shè)煤柱可以改善巷道變形，并據(jù)此設(shè)計(jì)了巷道加固方案。

[1] 侯朝炯. 巷道圍巖控制[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2013

[2] 馬念杰, 趙慶彪, 劉少偉. 煤巷錨桿支護(hù)新技術(shù)[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2006

[3] 劉洪濤, 馬念杰. 煤礦巷道冒頂高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別技術(shù)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2011(12)

[4] 馬念杰, 侯朝炯. 采準(zhǔn)巷道礦壓理論及應(yīng)用[M]. 徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1995

[5] 王金華. 我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的新發(fā)展[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2007(2)

[6] 湯雷, 王五平. 錨桿支護(hù)與圍巖共同承載的協(xié)調(diào)性[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2004(1)

[7] 康紅普, 林健, 吳擁政. 全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動(dòng)壓巷道中的應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2009(9)

[8] 李樹(shù)清, 王衛(wèi)軍, 潘長(zhǎng)良等. 加固底板對(duì)深部軟巖巷道兩幫穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2007(2)

[9] Zhao Zenghui, Wang Weiming, Wang lei. Response models of weakly consolidated soft rock roadway under different interior pressures considering dilatancy effect[J]. Journal of Central South University, 2013(12)

[10] Fu Jianqiu, Feng Chao, Shi Jianjun. Investigation into the deformation of a large span roadway in soft seams and its support technology[J]. Mining and Technology(China), 2011(4)

[11] Chang Jucai, Xie Guangxiang. Research on space time coupling action laws of anchor cable strengthening supporting for rock roadway in deep coal mine[J]. Journal of Coal Science and Engineering(China), 2012(2)

[12] 孫曉明, 何滿潮. 深部開(kāi)采軟巖巷道耦合支護(hù)數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005(4)

[13] 王金華, 康紅普, 高富強(qiáng). 錨索支護(hù)傳力機(jī)制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2008(1)

[14] 孫曉明, 張國(guó)鋒, 蔡峰等. 深部?jī)A斜巖層巷道非對(duì)稱變形機(jī)制及控制對(duì)策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009(6)